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3D打印鎳基高溫合金的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2021-08-08 來(lái)源:Goal Science

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是拓?fù)溆行虻娜S開(kāi)孔結(jié)構(gòu),通常由一個(gè)或多個(gè)重復(fù)晶胞組成。與塊體結(jié)構(gòu)相比,這些點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有可定制的剛度、優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能和高的比強(qiáng)度,使其對(duì)生物醫(yī)學(xué)和航空航天應(yīng)用極具吸引力。由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)件可以可控地改變其變形行為和坍塌響應(yīng),因此它們也被認(rèn)為是理想的能量吸收組件。早期的研究主要集中在通過(guò)改變其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整3D打印晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。一些前驅(qū)工作還探索了初始晶粒的數(shù)量和大小、連續(xù)多晶格嵌入以及熱處理對(duì)SLM打印點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)特性的影響,其中包括一些選定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而,顯微組織參數(shù)(如晶粒尺寸、晶界和沉淀分布)對(duì)3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為的影響仍然鮮為人知,因此深入理解顯微組織對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的晶格設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

 

近日,西班牙Imdea材料研究所和馬德里卡洛斯三世大學(xué)的研究人員通過(guò)選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM)制備了具有bcc點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的IN718鎳基高溫合金,并研究了析出相對(duì)于其室溫壓縮性能的影響。該研究提出,打印的快速冷卻過(guò)程形成的過(guò)飽和固溶體組織,具有高的柔度和彎曲主導(dǎo)力學(xué)性能;該組織經(jīng)過(guò)固溶和時(shí)效熱處理后,可形成大量析出相,使合金的硬度更高,表現(xiàn)出拉伸主導(dǎo)的力學(xué)性能。相關(guān)成果以“Precipitation-induced transition in the mechanical behavior of 3D printed Inconel 718 bcc lattices“為題發(fā)表在期刊Scripta Materialia,通訊作者為西班牙Imdea材料研究所的X. Jin

 

該工作使用采用的是氣霧化法制粉的IN718粉末,采用選區(qū)激光熔化(SLM)法制備了具有bcc點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的IN718打印件。SLM過(guò)程的工藝參數(shù)為:激光功率200W,掃描速度1166.7mm/s,掃描間距90μm,層厚30μm,層間旋轉(zhuǎn)67°。打印件呈bcc點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),總尺寸為20×20×20mm,晶胞尺寸為2.5×2.5×2.5mm。IN718粉末狀態(tài)與具體打印結(jié)構(gòu)如圖1所示。部分成形件進(jìn)行了固溶+時(shí)效熱處理:926℃固溶1h,水冷至室溫;然后在718℃時(shí)效處理8h,爐冷至621℃,接著時(shí)效10h,最后空冷至室溫。

 
 
 
 
 

圖1(a)SEM二次電子像觀察的本研究所用的Inconel 718粉末的形態(tài);(b)粉末顆粒的橫截面;(c)打印出的bcc點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),BD為打印方向

 
采用EBSD對(duì)打印態(tài)和熱處理態(tài)合金件垂直于打印方向的組織進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖2所示。可以看出,兩種狀態(tài)下合金的微觀結(jié)構(gòu)均是由不規(guī)則形態(tài)的隨機(jī)取向的晶粒構(gòu)成,且熱處理并未引起晶粒尺寸的改變,打印態(tài)和熱處理態(tài)的平均晶粒尺寸值分別為20±29 μm和22±35μm。在靠近打印界面的區(qū)域,晶粒傾向于沿著最大熱流方向呈柱狀生長(zhǎng),即從表面向中心方向生長(zhǎng)(圖2a和2b)。此外,兩種狀態(tài)的取向角分布(MAD)(圖2c)和晶粒線截距尺寸分布(圖2d)情況也非常相似。MAD呈 MacKenzie狀,最大值為45°,還有小角度邊界,說(shuō)明某些晶粒內(nèi)部存在亞晶界。
 
 
 
 
 

圖2 沿垂直于BD的(a)打印態(tài)和(b)熱處理態(tài)樣品的橫截面上EBSD IPF圖和反極圖。大角度晶界(θ>15°)用黑線表示;小角度晶界(θ<15°)用白線表示;兩種狀態(tài)樣品的(c)取向角分布和(d)晶粒的線截距尺寸分布圖

 
圖3是打印態(tài)和熱處理態(tài)樣品的TEM圖像和電子衍射。由圖可見(jiàn),打印態(tài)樣品的顯微組織是過(guò)飽和固溶體;熱處理態(tài)樣品中存在大量平均長(zhǎng)度為546±31nm,平均寬度為96±7 nm的沉淀物(圖 3b)。沿<001>軸的SAED表明這些沉淀相是亞穩(wěn)態(tài)γ´´相(Ni3(Nb,Ti))。

 

 
 
 
 

圖3(a)打印態(tài)和(b)熱處理態(tài)的IN718合金的TEM明場(chǎng)圖像及<010>取向上的選區(qū)電子衍射 (SAED) 圖案,(b) 中對(duì)應(yīng)于γ´´相的衍射斑用紅色箭頭表示

 

必須特別指出的是,SLM制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的IN718合金和塊體的顯微組織具有不同的特征。IN718塊體通常由大的柱狀晶組成,長(zhǎng)度通常大于數(shù)百微米,沿BD生長(zhǎng),并且晶粒取向主要為平行于BD的<001>方向。此外,塊體試樣的晶粒內(nèi)部通常含大量的富Nb/Ti沉淀物,且呈網(wǎng)狀連接。經(jīng)固溶和時(shí)效熱處理后的塊狀試樣會(huì)保留胞狀結(jié)構(gòu),并析出大量細(xì)小的γ´´強(qiáng)化相。然而,在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中,由于快速冷卻,晶粒的長(zhǎng)大和沉淀物的析出均會(huì)受到抑制,最終使IN718點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)細(xì)小的顯微組織。此外,固溶和時(shí)效熱處理會(huì)導(dǎo)致微觀組織的過(guò)度“老化”,使γ´´強(qiáng)化相的尺寸比塊體試樣大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),高溫合金在熱處理過(guò)程中顯微組織的演變是凝固速率的函數(shù),深度理解這些顯微組織的演變路徑對(duì)于增材制造優(yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

 

圖4給出了對(duì)應(yīng)于兩種狀態(tài)IN718點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線,可以看出熱處理使試樣發(fā)生彎曲到拉伸主導(dǎo)力學(xué)行為的明顯轉(zhuǎn)變。當(dāng)屈服強(qiáng)度為40 MPa時(shí),熱處理試樣發(fā)生了應(yīng)力振蕩,此時(shí)可以觀察到試樣由于沿特定平面擠壓而形成了連續(xù)的對(duì)角剪切帶。此外,熱處理態(tài)的樣品具有更高的能量吸收能力。

 

 
 
 

圖4 打印態(tài)(紅線)和熱處理態(tài)(綠線)IN718點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的室溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

 

該研究結(jié)果表明,SLM制備的IN718點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和塊體具有不同的顯微組織和力學(xué)特性,且熱處理也會(huì)給組織和性能帶來(lái)不同的影響。這項(xiàng)工作證明,良好的顯微組織設(shè)計(jì)可提供一種有效的途徑來(lái)控制點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為
 
 
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原文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114075